面向無人掃路機的高速開關閥瞬態(tài)液動力特性研究

摘要：面向無人掃路機的錐閥式高速開關閥閥芯在高速運動下所產(chǎn)生的瞬態(tài)液動力會引起閥的自激振動，直接影響高速開關閥的輸出特性，造成無人掃路機轉(zhuǎn)向系統(tǒng)抖動，影響掃路機工作系統(tǒng)的穩(wěn)定性。針對該問題，采用CFD數(shù)值模擬的方法對全錐錐閥的瞬態(tài)液動力特性進行研究，首先建立閥內(nèi)流場流體域的幾何模型，選用弱可壓縮流體、標準k-ε湍流模型，采用變形幾何技術對錐閥的瞬態(tài)液動力進行仿真模擬，得到錐閥在啟閉過程中的軸向力、瞬態(tài)液動力與不同的閥芯運動速度、閥口壓差之間的定量關系。仿真結(jié)果表明：當壓差不變時，閥口啟閉過程中閥芯所受的瞬態(tài)液動力會隨著閥芯速度的增大而增大；在閥芯速度一定時，閥口壓差越大，全錐錐閥閥芯所受瞬態(tài)液動力越大；在錐閥啟閉過程中，針對錐閥的瞬態(tài)液動力分析應包含整個錐面并分割成大小兩個錐面，由于大小錐面上所受的瞬態(tài)液動力方向相反，且大錐面所受的瞬態(tài)液動力數(shù)值遠大于小錐面，故全錐錐閥瞬態(tài)液動力方向與大錐面上瞬態(tài)液動力方向相同。

關鍵詞：高速開關閥；全錐錐閥；瞬態(tài)液動力；CFD

中圖分類號：G232" 收稿日期：2023-09-27

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.12.011

1 前言

隨著數(shù)字液壓系統(tǒng)的不斷發(fā)展和廣泛應用，高速開關閥作為數(shù)字液壓系統(tǒng)中的核心元件[1]，廣泛應用于環(huán)衛(wèi)工程行業(yè)。圖1為掃路機液壓系統(tǒng)原理圖，圖中紅標開關閥工作存在不穩(wěn)定現(xiàn)象，該現(xiàn)象直接導致了無人掃路機轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的振動，根據(jù)其工作特性分析，其原因可能為瞬態(tài)液動力引起的開關閥輸出特性不穩(wěn)定。為提升掃路機工作穩(wěn)定性，液動力影響開關閥工作造成無人掃路機轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的振動問題亟待解決。在高速開關閥的多種閥芯結(jié)構形式中，錐閥式結(jié)構由于通流能力強、密封性能好成為面向無人掃路機的高速開關閥理想的閥芯結(jié)構形式。在錐閥工作時，油液流經(jīng)閥口時發(fā)生的流動方向與流速的變化會使閥芯受到液動力的影響，從而影響到閥的輸出特性。閥芯運動所產(chǎn)生的激勵會引起閥的自激振動，而瞬態(tài)液動力會產(chǎn)生這種激勵，故瞬態(tài)液動力直接影響整個系統(tǒng)的可靠性。目前的研究主要集中于當閥處于固定開口度時的液動力情況[2-6]，但對閥芯高速運動下所產(chǎn)生的瞬態(tài)液動力的研究比較少，而且對于瞬態(tài)液動力的研究工作主要針對滑閥，缺少對錐閥瞬態(tài)液動力的研究。

鄭淑娟等[7]對閥芯運動狀態(tài)下錐閥閥芯所受的瞬態(tài)液動力進行了研究，獲得了閥芯啟閉過程中受到的瞬態(tài)液動力、流量系數(shù)與通過閥流量、閥開度之間的定量關系?？琢钆d等[8]針對閥座帶錐面、閥芯底面為平面型式的大流量二通插裝閥進行了不同運動速度下的閥芯瞬態(tài)液動力研究。

錐閥瞬態(tài)液動力研究一直是研究重點，但目前還缺少在重載情況下全錐錐閥的瞬態(tài)液動力研究，因此，對全錐錐閥內(nèi)流場進行研究，分析不同壓降和不同閥芯運動速度下的錐閥瞬態(tài)液動力特性具有重要意義。

2 瞬態(tài)液動力理論模型

閥芯運動過程中，閥腔中油液因加速或減速而作用在閥芯上的力被稱為瞬態(tài)液動力。由動量定理可得出：

[F=pLdqdt]" " " " " " " " " " " " " " " " （1）

其中：

[q=CdA2Δpp]" " " " " " " " " " " " "（2）

[A=πdxsinα]" " " nbsp; " " " " " " " " " （3）

將式（2）和式（3）代入式（1）得：

[CdπdsinαL2pΔpdxdt-12CdπdxsinαL2pΔpdΔpdt]" " （4）

式（1）～式（4）中，F(xiàn)為瞬態(tài)液動力；p為油液密度；L為阻尼長度，即控制體中液流被加速的長度；q為流量；Cd為閥口流量系數(shù)；A為油液流經(jīng)閥口時的過流面積；Δp為閥口兩端的壓差；x為閥芯位移；α為閥芯半錐角；d為入口直徑，如圖2所示。

從式（4）可以看出，瞬態(tài)液動力受閥芯速度和閥口壓差變化的影響，但由于難以用解析法得出流動系數(shù)Cd、壓降Δp以及閥芯運動速度的時刻變化，因此必須借助流體仿真的方法得到閥芯錐面的壓力情況，進而研究錐閥所受的瞬態(tài)液動力。因為出口壓力大，且閥芯錐面部分不限于入口部分錐面，所以必須考慮錐閥的整個錐面。由于瞬態(tài)液動力為閥芯運動所受的液動力，所以其理論公式如下：

[F=F1-F2]" " " " " " " " " " " " " " " （5）

式中，F(xiàn)1為瞬態(tài)下閥芯所受軸向力；F2為穩(wěn)態(tài)下閥芯所受軸向力。

3 仿真模型的建立

3.1 幾何模型

首先對錐閥流場部分進行三維建模，圖3是研究所需的錐閥流場的部分幾何模型，入口直徑為1.6 mm，閥芯半錐角為35°，其類型為外流式錐閥。

3.2 網(wǎng)格劃分

幾何模型需進行網(wǎng)格劃分，采用自由四面體網(wǎng)格對流場進行精確描述，在出口處采用較粗化的網(wǎng)格，因閥口處流速及壓力梯度較大，為更好地描述閥口流場變化，所以采用較細網(wǎng)格。為確保計算結(jié)果不受網(wǎng)格的影響，對網(wǎng)格進行加密，當仿真數(shù)值幾乎不變時停止加密，網(wǎng)格劃分結(jié)果如表1和圖4所示，網(wǎng)格數(shù)選取為144萬。

3.3 物性和邊界條件

由于閥口處的流動為高雷諾數(shù)湍流運動，且為確保計算精度和收斂性，所以采用k-ε湍流模型。由于閥芯是高速運動的，對于外流式錐閥，當閥工作頻率大于20 Hz時，閥腔中油液的可壓縮性就不能忽略[9]，因此為接近真實高速開關閥運動情況，將流體選為弱可壓縮流體，弱可壓縮流體的N-S方程。該方程中，密度為時間的函數(shù)，初始密度設ρ=870 kg/m3，動力黏度為μ=0.045 Pa·s，進出口條件采用壓力入口和壓力出口。具體公式如下：

[ρ?u?t+ρu·?u=-?p+?·μ（?u）+（?u）T-23μ（?·u）+F]" "（6）

式中，u為流速；[ρ]為流體密度；p為流體的壓力；F為流體受到的質(zhì)量力，如流體作加速運動時的慣性力。

使用變形幾何來描述流體域中網(wǎng)格節(jié)點的移動，定義整個流場域為變形幾何區(qū)域，用分段函數(shù)定義閥芯錐面的運動，定義閥芯圓柱面的邊界條件為零法向網(wǎng)格位移。

4 仿真及結(jié)果分析

4.1 不同閥芯運動速度下的瞬態(tài)液動力

由式（4）可知，瞬態(tài)液動力與閥芯運動速度有關，為研究錐閥閥芯所受瞬態(tài)液動力與閥芯運動速度的關系，分別對不同運動速度（0.2 m/s、0.1 m/s、0.05 m/s）下的閥口開啟與閉合瞬態(tài)仿真，入口壓力設置為20 MPa，出口壓力設置為19.8 MPa。根據(jù)式（5）對錐面壓力進行積分，得到圖5和圖6所示的錐閥瞬態(tài)液動力曲線，圖中瞬態(tài)液動力正值表示方向為趨于閥口開啟的方向，負值表示瞬態(tài)液動力方向為趨于閥口關閉的方向。

從圖5和圖6可以看出，在閥口開啟過程中，錐閥閥芯所受到的瞬態(tài)液動力為正值，即使閥口趨于開啟的方向。在閥口關閉過程中，錐閥閥芯所受到的瞬態(tài)液動力為負值，即使閥口趨于關閉的方向。仿真結(jié)果表明：閥口壓差一定時，在閥口開啟過程中，閥芯速度越大，閥芯所受到的軸向瞬態(tài)液動力越大，且隨著閥口的開啟，瞬態(tài)液動力逐漸減小；在閥口關閉的過程中，閥芯速度越大，閥芯所受到的軸向瞬態(tài)液動力越大，且隨著閥口的關閉，瞬態(tài)液動力逐漸增大。

從以往平底錐閥瞬態(tài)液動力文獻[7]來看，文中所述全錐錐閥的瞬態(tài)液動力方向與平底錐閥瞬態(tài)液動力方向有所不同，為方便研究，對閥芯錐面進行圖7所示的分割，入口處錐面為小錐面，剩余部分錐面為大錐面。

不同閥芯運動速度下對大小錐面液動力的研究結(jié)果如圖8～圖11所示。其中，閥口開啟過程中大小錐面瞬態(tài)液動力如圖8和圖10所示，閥口關閉過程中大小錐面瞬態(tài)液動力如圖9和圖11所示。

從圖8和圖10中可以看出，瞬態(tài)液動力隨著閥口的開啟而減小，大錐面與小錐面所受瞬態(tài)液動力方向相反，但大錐面所受的瞬態(tài)液動力遠大于小錐面所受的瞬態(tài)液動力；從圖9和圖11中可以看出，瞬態(tài)液動力隨著閥口的關閉而增大，大錐面與小錐面所受瞬態(tài)液動力方向相反，但大錐面所受的瞬態(tài)液動力遠大于小錐面所受的瞬態(tài)液動力。

閥芯運動速度越大，大小錐面上的瞬態(tài)液動力數(shù)值越大。

4.2 不同閥口壓差下的瞬態(tài)液動力

為了研究閥口壓差對瞬態(tài)液動力的影響，在相同閥芯運動速度（0.1 m/s）的情況下，分別對不同閥口壓差（0.2 MPa、1 MPa、2 MPa）下的瞬態(tài)液動力進行仿真研究，結(jié)果如圖12和圖13所示。

由圖12和圖13可以看出，在閥開口度相同時，閥口壓差越大，閥芯所受的瞬態(tài)液動力越大，符合式（4）的理論推導，且無論大小錐面，閥口壓差變化沒有改變各自的瞬態(tài)液動力方向，瞬態(tài)液動力都隨閥口壓差的增大而增大。這是因為閥口壓差增大，通過閥口的流量增加，所以閥芯運動會受到更多的流體作用，從而使瞬態(tài)液動力增加。

5 結(jié)語

本文利用動量定理和三維瞬態(tài)流場仿真，在錐閥啟閉過程中，對不同閥芯運動速度及不同閥口壓差下的瞬態(tài)液動力特性進行了分析與研究，為高速開關閥的優(yōu)化設計提供了思路，主要結(jié)論如下：

a.當閥口壓差不變時，在閥口開啟關閉過程中，閥芯運動速度越大，全錐錐閥閥芯所受瞬態(tài)液動力數(shù)值越大，因此高速開關閥的頻響特性與瞬態(tài)液動力正相關。

b.由于大小錐面上的瞬態(tài)液動力方向相反，因此對全錐錐閥上控制體選取應包含整個錐面。

c.當閥芯運動速度不變時，在閥口啟閉過程中，閥口壓差越大，全錐錐閥上閥芯所受瞬態(tài)液動力數(shù)值越大，因此大壓差工況下的高速開關閥瞬態(tài)液動力數(shù)值不應忽略。

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作者簡介：

王燦鋒，男，1983年生，工程師，研究方向為專用車技術管理。